【南極熊3D打印文化】FDM 熔融沉積成型：3D打印如何走進(jìn)千家萬(wàn)戶

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1FDM發(fā)展歷程

熔融沉積成型（Fused Deposition Modelling, FDM）是上世紀(jì)八十年代末，由美國(guó)Stratasys公司的斯科特·克倫普（Scott Crump）發(fā)明的技術(shù)，是繼光固化快速成型（SLA）和疊層實(shí)體快速成型工藝（LOM）后的另一種應(yīng)用比較廣泛的3D打印技術(shù)。1992年，Stratasys公司推出世界上第一款基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)--“3D造型者（3D Modeler）”，標(biāo)志著FDM技術(shù)步入商用階段。

3D Modeler

國(guó)內(nèi)方面，對(duì)于FDM技術(shù)的研究最早在包括清華大學(xué)、西安交大、華中科大等幾所高校進(jìn)行，其中清華大學(xué)下屬的企業(yè)于2000年推出了基于FDM技術(shù)的商用3D打印機(jī)，近年來(lái)也涌現(xiàn)出多家將3D打印機(jī)技術(shù)商業(yè)化的企業(yè)。

2009年FDM關(guān)鍵技術(shù)專利到期，各種基于FDM技術(shù)的3D打印公司開(kāi)始大量出現(xiàn)，行業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展期，相關(guān)設(shè)備的成本和售價(jià)也大幅降低。數(shù)據(jù)顯示，專利到期之后桌面級(jí)FDM打印機(jī)從超過(guò)一萬(wàn)美元下降至幾百美元，銷售數(shù)量也從幾千臺(tái)上升至幾萬(wàn)臺(tái)。

2 FDM工作原理

FDM的工作原理是，將絲狀的熱塑性材料通過(guò)噴頭加熱熔化，噴頭底部帶有微細(xì)噴嘴（直徑一般為0.2～0.6mm），在計(jì)算機(jī)控制下，噴頭根據(jù)3D模型的數(shù)據(jù)移動(dòng)到指定位置，將熔融狀態(tài)下的液體材料擠噴出來(lái)并最終凝固。材料被噴出后沉積在前一層已固化的材料上，通過(guò)材料逐層堆積形成最終的成品。

FDM的絲狀線材

FDM 3D打印機(jī)及其打印的物品（圖片來(lái)源：3D Systems）

FDM打印工作平臺(tái)

在打印機(jī)工作前，先要設(shè)定三維模型各層的間距、路徑的寬度等數(shù)據(jù)信息，然后由切片引擎對(duì)三維模型進(jìn)行切片并生成打印移動(dòng)路徑。在計(jì)算機(jī)控制下，打印噴頭根據(jù)水平分層數(shù)據(jù)作X軸和Y軸的平面運(yùn)動(dòng)，Z軸方向的垂直移動(dòng)則由打印平臺(tái)的升降來(lái)完成。同時(shí)，絲材由送絲部件送至噴頭，經(jīng)過(guò)加熱、熔化，材料從噴頭擠出黏結(jié)到工作臺(tái)面上，迅速冷卻并凝固。這樣打印出的材料迅速與前一個(gè)層面熔結(jié)在一起，當(dāng)每一個(gè)層面完成后，工作臺(tái)便下降一個(gè)層面的高度，打印機(jī)再繼續(xù)進(jìn)行下一層的打印，一直重復(fù)這樣的步驟，直到完成整個(gè)物體的打印。

FDM工藝的關(guān)鍵是保持從噴嘴中噴出的、熔融狀態(tài)下的原材料溫度剛好在凝固點(diǎn)之上，通常控制在比凝固點(diǎn)高1℃左右。如果溫度太高，會(huì)導(dǎo)致打印物體的精度降低，模型變形等問(wèn)題；如果溫度太低，則容易導(dǎo)致噴頭被堵住，導(dǎo)致打印失敗。

FDM打印技術(shù)原理示意圖（圖片來(lái)源：南極熊）

FDM工藝的打印機(jī)會(huì)需要使用兩種材料：一種用于打印實(shí)體部分的成型材料；另一種用于沉積空腔或懸臂部分的支撐材料。切片軟件會(huì)根據(jù)待打印模型的外形，自動(dòng)計(jì)算決定是否需要為其添加支撐。支撐還有一個(gè)目的是建立基礎(chǔ)層。即在正式打印之前，先在工作平臺(tái)上打印一個(gè)基礎(chǔ)層，這樣可以提供一個(gè)精準(zhǔn)的基準(zhǔn)面，還可以使打印完成后的模型更容易剝離。

3FDM打印材料

FDM技術(shù)使用的材料主要包括實(shí)體材料和支撐材料。實(shí)體材料主要為熱塑性材料，包括PLA、ABS、人造橡膠、石蠟等。

FDM技術(shù)的支撐材料較難去除，很容易在剝離過(guò)程中損壞模型表面。針對(duì)這樣的問(wèn)題，3D打印界巨頭Stratasys公司在1999年開(kāi)發(fā)了水溶性支撐材料，用溶液對(duì)打印后的模型進(jìn)行沖洗，將支撐材料進(jìn)行溶解而不損傷實(shí)體模型。

去除支撐材料前的打印作品（左）以及去除支撐材料后的作品（右）

在進(jìn)行模型實(shí)體材料選擇時(shí)，需要考慮以下幾點(diǎn)因素。

l 黏度低。粘度低阻力小，不容易堵噴頭。

l 熔點(diǎn)低。熔點(diǎn)溫度低打印功耗小，卻有利于提高機(jī)器使用壽命。

l 黏結(jié)性高。黏結(jié)性決定了實(shí)體各層之間的黏結(jié)強(qiáng)度。

l 收縮率小。擠出的材料絲會(huì)發(fā)生膨脹，收縮率越小，打印出來(lái)的物品精度越有保證。

根據(jù)以上特征，目前市場(chǎng)上主要的FDM材料包括ABS、PLA、PC、PP、合成橡膠等。

ABS材料。ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。ABS具有強(qiáng)度高、韌性好、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，是一種用途極廣的工程塑料。

PLA材料。PLA（聚乳酸）又名玉米淀粉樹(shù)脂，是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源（玉米）所提取出的淀粉原料制備而成。除了具有良好的生物降解能力，其光澤度、透明性、手感和耐熱性也很不錯(cuò)，目前主要用于服裝、工業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。

PC材料。PC即聚碳酸酯，是一種20世紀(jì)50年代末期發(fā)展起來(lái)的無(wú)色高透明度的熱塑性工程塑料，具有耐沖擊、韌性高、耐熱性好且透光性好的特點(diǎn)，懸掛的PC材料板甚至可以抵擋一定距離的子彈沖擊。PC材料的熱變形溫度為138℃，顏色比較單一，只有白色，但其強(qiáng)度比ABS材料高出60%左右。目前，美國(guó)通用公司是聚碳酸酯全球最大的生產(chǎn)企業(yè)。

PP材料。PP即聚丙烯，是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹(shù)脂，其無(wú)毒、無(wú)味，強(qiáng)度、剛度、硬度耐熱性均優(yōu)于低壓聚乙烯,可在100℃左右使用，具有良好的介電性能和高頻絕緣性且不受濕度影響。缺點(diǎn)是不耐磨、易老化。適于制作一般機(jī)械零件、耐腐蝕零件和絕緣零件。常見(jiàn)的酸、堿等有機(jī)溶劑對(duì)它幾乎不起作用，可用于食具。

合成橡膠材料。統(tǒng)一將用化學(xué)方法人工合成的橡膠稱為合成橡膠，能夠有效彌補(bǔ)天然橡膠產(chǎn)量不足的問(wèn)題，合成橡膠一般在性能上不如天然橡膠全面，但它具有高彈性、絕緣性、氣密性、耐高溫等優(yōu)勢(shì)，因而廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、國(guó)防、交通及日常生活中。

4 FDM應(yīng)用

FDM應(yīng)用領(lǐng)域包括概念建模、功能性原型制作、制造加工、最終用途零件制造、修整等方面，涉及汽車、醫(yī)療、建筑、娛樂(lè)、電子、教育等領(lǐng)域。

1）概念建模

建筑建模。傳統(tǒng)建筑領(lǐng)域的可視化做法是使用木材或者泡沫制作模型。而3D打印能夠有效降低設(shè)計(jì)成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間，建筑師可以通過(guò)實(shí)體的建筑模型對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改良，大大增加了效率和合理性。

FDM技術(shù)打印的建筑模型（圖片來(lái)源：Stratasys）

人體工程學(xué)設(shè)計(jì)。3D打印的模型在開(kāi)發(fā)期間就可以對(duì)人體工程學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試期間可以對(duì)模型進(jìn)行不斷修改，從而實(shí)現(xiàn)將產(chǎn)品全面投入市場(chǎng)前對(duì)人體工程學(xué)進(jìn)行優(yōu)化。

符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的醫(yī)療康復(fù)輔具(圖片來(lái)源：南極熊)

符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的自行車手把

市場(chǎng)營(yíng)銷和設(shè)計(jì)。利用FDM技術(shù)制作的模型可以進(jìn)行打磨、上漆等處理，從而達(dá)到與最終產(chǎn)品外觀一致的目的。FDM使用生產(chǎn)級(jí)的熱塑性塑料（比如ABS），可以獲得與最終產(chǎn)品相似的使用感受。

利用FDM技術(shù)制作的鏡架（圖片來(lái)源：南極熊）

符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的鼠標(biāo)外殼

2）功能性原型制作

利用FDM技術(shù)獲得的原型本身具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等性能，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就能夠通過(guò)原型進(jìn)行各種性能測(cè)試，以改進(jìn)最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)。

利用FDM技術(shù)制作的功能性原型零件（圖片來(lái)源：Stratasys）

3）制造加工

由于FDM技術(shù)可以采用高性能的生產(chǎn)級(jí)別材料，可以用來(lái)制造標(biāo)準(zhǔn)工具，并可進(jìn)行小批量生產(chǎn)，通過(guò)小批量生產(chǎn)可以使用與最終產(chǎn)品相同的流程和材料來(lái)制作原型。

利用FDM技術(shù)制作的標(biāo)準(zhǔn)工具（圖片來(lái)源：Stratasys）

4）最終用途物件

FDM技術(shù)可以直接制造最終用途零件，其精度可以媲美注塑成形。不過(guò)因?yàn)槭懿牧虾凸に囅拗�，打印物品的受力�?qiáng)度低，主要用于民用消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，在工業(yè)市場(chǎng)上最終用途零件的應(yīng)用還不廣泛。

利用FDM技術(shù)制作的游戲手柄外殼（圖片來(lái)源：南極熊）

5 優(yōu)勢(shì)&限制

由于FDM技術(shù)無(wú)需激光系統(tǒng)，因而價(jià)格低廉�，F(xiàn)在市場(chǎng)上的桌面打印機(jī)大多采用FDM技術(shù)，最便宜的已經(jīng)降至1萬(wàn)元以下。與其他3D打印技術(shù)路徑相比，F(xiàn)DM具有成本低、原料廣泛等優(yōu)點(diǎn)，同樣存在成型精度低、支撐材料難以剝離等缺點(diǎn)，下面做簡(jiǎn)要分析。

優(yōu)勢(shì)

成本低。FDM技術(shù)不采用激光系統(tǒng)。

成型材料范圍較廣。ABS、PLA、PC、PP等熱塑性材料均可作為FDM技術(shù)的成型材料。

環(huán)境污染較小。在整個(gè)打印過(guò)程中不涉及高溫、高壓，沒(méi)有有毒物質(zhì)排放。

設(shè)備、材料體積較小。便于搬運(yùn)，適合于辦公室、家庭等環(huán)境。

原料利用率高。沒(méi)有廢棄的成型材料，支撐材料可以回收。

技術(shù)限制

精度低。溫度對(duì)于FDM成型效果影響非常大，而桌面級(jí)FDM 3D打印機(jī)通常都缺乏恒溫設(shè)備，另外在出料部分缺少控制部件，致使難以精確地控制出料形態(tài)和成型效果。這些原因?qū)е翭DM的桌面級(jí)3D打印機(jī)的成品精度通常為0.1～0.3毫米。每層的邊緣容易出現(xiàn)由于分層沉積而產(chǎn)生的“臺(tái)階效應(yīng)”，導(dǎo)致很難達(dá)到所見(jiàn)即所得的3D打印效果。

FDM技術(shù)制作的物品普遍存在“臺(tái)階效應(yīng)”

強(qiáng)度低。受工藝和材料限制，打印物品的性能強(qiáng)度低，尤其是沿Z軸方向的材料強(qiáng)度比較弱，達(dá)不到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

打印時(shí)間長(zhǎng)。需按橫截面形狀逐步打印，成型過(guò)程中受到一定的限制，制作時(shí)間長(zhǎng)，不適于制造大型物件。

需要支撐材料。在成型過(guò)程中需要加入支撐材料，在打印完成后要進(jìn)行剝離。隨著技術(shù)的進(jìn)步，市面上已經(jīng)有水溶性支撐材料，該缺點(diǎn)正在被逐步克服。

6 結(jié)論與展望

FDM技術(shù)是面向個(gè)人的3D打印機(jī)的首選技術(shù)，通過(guò)采用FDM技術(shù)的3D打印機(jī)，設(shè)計(jì)人員可以在很短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)并制作出產(chǎn)品原型，并通過(guò)實(shí)體對(duì)產(chǎn)品原型進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)FDM技術(shù)廣泛運(yùn)用在各種文娛活動(dòng)中，滿足人們對(duì)一些產(chǎn)品的個(gè)性化定制服務(wù)。由于FDM技術(shù)專利已經(jīng)到期，其大面積推廣已經(jīng)不存在障礙。南極熊認(rèn)為在未來(lái)，桌面級(jí)FDM 3D打印機(jī)的市場(chǎng)空間還將不斷增加。

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